Architettura del GSM

La distribuzione delle reti di telefoni cellulari copre ad oggi un’area molto va- sta. Gli utenti registrati nel 2003 hanno raggiunto il numero di 1.2 miliardi e lo standard GSM viene usato correntemente da circa 200 paesi sparsi in tutto il mondo. Da questi numeri si pu`o capire quanto sia elevata la complessit`a del sistema globale. Il protocollo e l’architettura del GSM sono strettamente derivanti dai problemi di integrazione e soluzione di tali esigenze e compati- bilit`a. Per quanto riguarda il protocollo, i requisiti che esso doveva rispettare erano principalmente di rispetto della privacy, efficienza di comunicazione,

possibilit`a di chiamate da/verso paesi esteri, compatibilit`a con altre reti di comunicazione (in particolare la rete fissa), compatibilit`a in generale con al- tre tecnologie di comunicazione. L’architettura, dovendo rispettare questi requisiti, `e stata costruita in modo da essere allo stesso tempo gerarchica e indipendente. Gerarchica in quanto per amministrare migliaia di antenne dislocate sul territorio globale era necessario avere diversi livelli di gestione della comunicazione per distribuire la complessit`a del sistema. Indipenden- te perch`e ogni nazione doveva disporre di strutture che fossero logicamente svincolate da quelle di altri paesi in modo da permettere la gestione auto- noma, a livello nazionale, del sistema, in particolare per quanto riguarda le leggi di ogni paese in materia di telefonia, in generale diverse da nazione a nazione.

I think that what we’ve done with GSM is equivalent to putting a man on the moon ten times over - that was the level of complexity.

Mike Short, Chairman, GSM MoU Association 1995-96.

La struttura gerarchica

La prima questione che emerge dalla progettazione di una struttura di tele- fonia mobile `e la copertura del territorio. Uno dei challenge principali del sistema GSM `e quello di riuscire a coprire, se non tutto, la maggior parte del territorio popolato globale, soddisfacendo a un requisito di presenza molto forte. Ci`o comporta, dati i limiti della tecnologia di trasmissione radio, una dislocazione sufficientemente fitta di antenne sul territorio.

Per gestire un numero elevato di antenne `e necessario stabilire una gerar- chia per cui, ciascun livello posso supportare scambi di informazioni accet- tabili cosa che non sarebbe possibile se tutte le antenne fossero collegate ad un unico modulo di gestione centralizzato.

Figura 2.7: Copertura cellulare: un esempio

Il sistema GSM `e composto da diverse entit`a separate, alcune delle quali vedremo con maggior dettaglio altre che saranno solamente citate. In figura 2.8 possiamo osservare i moduli funzionali dell’architettura del sistema.

I moduli dell’architettura

Riportiamo in breve una descrizione dei componenti che costituiscono una classica rete mobile GSM/UMTS senza entrare troppo in dettagli tecnici, ma fissando soprattutto gli aspetti pratici che caratterizzano il funzionamento di tali componenti.

Telefoni Cellulari (MS)

Il cellulare, o Mobile Station `e un dispositivo che permette la radioco- municazione vocale bidirezionale, sia tra dispositivi mobili simili che con apparecchi di rete fissa. Il dispositivo e il suo funzionamento `e indipendente dal network provider utilizzato. Il suo funzionamento corretto `e associato ad una corretta identificazione, senza la quale il cellulare `e abilitato il pi`u delle volte ad effettuare solamente chiamate di emergenza (112,911 etc). L’i- dentificazione `e fornita dal network provider al momento della stipula di un contratto che fornisce all’utente i servizi ti telefonia mobile. A livello fisico

Figura 2.8: Architettura del sistema GSM

l’autenticazione del cellulare all’interno della rete `e legata ad una SIM (Sub- scriber Identity Module) che viene inserita all’interno del cellulare e contiene un codice di identificazione unico globale, l’IMSI (International Mobile Sub- scriber Identity). Il codice IMSI `e utilizzato per identificare il cellulare e per tenere traccia della posizione di esso all’interno della rete. Dove non creer`a ambiguit`a ci riferiremo al dispositivo mobile, o telefono cellulare usando so- lo il suo aggettivo ‘cellulare’ che ormai `e entrato a far parte del linguaggio comune.

Antenne (BTS)

L’antenna o Base Transceiver Station `e l’entit`a che gestisce a livello fisico il collegamento radio tra la stazione mobile (MS) e la rete GSM. La funzio- ne principale dell’antenna, oltre al collegamento radio, `e quella di coprire la

maggior percentuale di territorio circostante. Ogni antenna ha delle carat- teristiche fisiche come la potenza massima, l’altezza da terra ed il tipo del ripetitore che determinano sia la capacit`a massima che la distanza massima oltre la quale il cellulare non `e pi`u in grado di comunicare. La capacit`a rappresenta la misura di quanti cellulari `e in grado di supportare l’antenna, in particolare per quanto riguarda i cellulari in comunicazione. La distanza massima si pu`o determinare con la proporzione inversa del segnale ricevuto dal cellulare, ovvero pi`u `e piccola la distanza che separa la stazione mobile dall’antenna pi`u `e potente il segnale ricevuto. Capacit`a e copertura(intesa come distanza massima raggiungibile) non sono direttamente proporzionali. In generale una antenna pi`u potente ha la possibilit`a di arrivare pi`u lonta- no con il segnale ma non di sostenere un maggior traffico telefonico. `E per questo che la dislocazione e il tipo delle antenne varia di volta in volta in funzione dei parametri territoriali (aree urbane periferiche rurali ecc.) e di traffico.

In particolare le zone a traffico elevato (urbane) prediligono una scelta di antenne piccole e uniformemente distribuite, mentre nelle zone di traffi- co minimo vengono di solito piazzate poche antenne a largo raggio. Ogni antenna identifica una cella di copertura del territorio.Qualche volta le celle sono uniformemente distribuite sul territorio, cio`e hanno la stessa distanza l’una dall’altra e hanno la stessa potenza, ma in generale si pu`o scegliere di utilizzare antenne di diverso tipo. Come si pu`o vedere dalla figura 2.10 l’area di azione di una antenna `e circolare per cui, volendo coprire la maggior per- centuale di area circostante senza lasciare buchi (ovvero aree non coperte), ognuna di esse ha una sovrapposizione della proprio copertura con quella dei ripetitori vicini.

A differenza di quanto si potrebbe pensare questa sovrapposizione non rappresenta un problema, ma anzi un vantaggio. Il problema della sovrap- posizione del segnale si risolve con una corretta politica di assegnazione delle

Figura 2.9: Esempio di copertura GSM: distribuzione uniforme

frequenze, ovvero ogni antenna pu`o confinare solo con antenne che hanno tutte frequenze diverse l’una dall’altra: rispettando questa politica localmen- te si possono riusare le frequenze quando siano abbastanza distanti dalle altre.In particolare due antenne BTS1 e BTS2 che usino la stessa frequenza

devono avere distanza d(BT S1, BT S2 ≥ 3), ovvero ci devono essere due o

pi`u antenne interposte. Tra i vantaggi di tale sovrapposizione ovviamente vi la copertura del 100% del territorio e la possibilit`a di continuare una comu- nicazione quando si `e in movimento(requisito indispensabile per definizione

Figura 2.10: Esempio di copertura GSM: distribuzione non uniforme

di telefonia mobile). Inoltre, per quanto riguarda il lavoro specifico di que- sta tesi, vedremo come sia possibile ottenere una maggiore informazione in particolare sulla locazione del dispositivo.

Come si pu`o vedere dalla tabella 2.2 ci sono varie tipologie di antenne ognuna con una proprio funzione. Ad esempio le antenne ombrello sono antenne particolarmente grandi che oltre ad avere la funzione di tappare i buchi lasciati dalle antenne pi`u piccole si occupano di sostenere il traffico telefonico di apparecchi in conversazione particolarmente veloci dato che tali oggetti, come ad esempio i cellulari dentro le automobili che si muovono in strade di grande scorrimento come autostrade e superstrade, cambiano cella molto spesso e causano un elevato numero di Handover [ETSa], la procedura

Tipo di Antenna Locazione Distanza Massima Cella Ombrello Grattaceli,torri 35 Km

Grande Macrocella Grattaceli,torri 3-30 Km Macrocella Sopra i tetti 1-3 Km Microcella Vicina ai tetti 0.1-1 Km Picocella Sotto il livello dei tetti 0.01-1 Km

Tabella 2.2: Tipologia di Antenne GSM

per trasferire la chiamata da una antenna all’altra, procedura necessaria per mantenere ininterrotta la comunicazione. Lo smistamento di questa classe di utente su tali antenne alleggerisce di molto la rete implicando un risparmio di procedure che potrebbero altres`ı congestionare la rete.

Base Station Controller (BSC) Le antenne distribuite sul territorio so- no logicamente e fisicamente raggruppate in cluster. Ogni cluster ha un controller che prende il nome di BSC e che ha la funzione di interconnettere le antenne raggruppate alle strutture superiori ovvero gli switch e i database della rete. La Base Station Controller realizza quindi un livello della gerar- chia che permette di abbattere la complessit`a generale permettendo di gestire un intero gruppo di antenne. Tra le sue funzioni principali abbiamo quella di realizzare a livello fisico una parte della trasmissione dati del protocollo, ovve- ro, smistare le informazioni derivanti dalle singole antenne e inviarle ai livelli superiori. Prende parte ad un elevato numero di procedure riguardanti la co- municazione (call setup), gli aggiornamenti della posizione (location update), e switching di comunicazione tra antenne confinanti (handover). Le proce- dure di location update e di handover saranno particolarmente considerate per lo scopo di questa tesi.

Mobile Switch Centre (MSC) Il Mobile Switch Centre [ETSf] `e il livel- lo della gerarchia che gestisce i BSC: rappresenta l’interfaccia tra il sistema di comunicazione mobile e quello fisso ed `e uno switch ISDN con funzio- nalit´a estese per soddisfare i servizi e il protocollo GSM. La sua funzione principale `e ovviamente quella di effettuare lo switching di connessioni dati (transazioni, sms, multimedia ecc.) e connessioni vocali (telefonia classica). Questo componente indirizza le suddette connessioni da/verso varie entit´a interne ed esterne alla rete. Dispone di connessioni alla rete fissa ISDN, alla parte restante della mobile, quindi ad altri MSC, a databases HLR e VLR che realizzano la parte di registrazione di tutte le informazioni necessarie per mantenere la consistenza della rete, tra cui le informazioni sulle locazioni dei cellulari.

Home/Visitor Location Register Il sistema GSM, per sua natura, ri- chiede un costante aggiornamento delle informazione relative alle posizioni degli utenti nella rete. Per tenere traccia di queste informazioni e mantenerle valide il sistema usa una gerarchia a due livelli di database, chiamati Home Location Register [ETSg] e Visitor Location Register [ETSh]. Ogni compagnia telefonica possiede un certo numero di questi database, oppure, per rispar- miare sulle infrastutture utilizza quelli di un gestore telefonico gi`a presente, affittandoli. Il primo (HLR) `e un database centralizzato, il secondo (VLR) `

e un database distribuito ed ogni switch MSC della rete ne possiede uno. Il VLR registra le informazioni sulla locazione degli utenti GSM all’interno della Location Area di sua competenza, quindi la parte di territorio gestita dallo switch MSC. Il registro HLR ha il compito di registrare i cambiamenti di Location Area registrati dai database distribuiti, ovvero, ogni volta che un dispositivo GSM cambia location area il cambiamento viene registrato all’in- terno del registro centrale. Questo meccanismo permette di tenere traccia a livello globale di tutte le locazioni dei dispositivi attivi distribuendo la com-

plessit´a su due livelli quindi registrando globalmente (HLR) la Location Area di appartenenza e localmente (VLR) la cella in cui `e registrato il dispositivo.

Il funzionamento del sistema GSM

Il funzionamento del sistema GSM, almeno a grandi linee `e estremamente semplice. Ogni cellulare attivo che riceva un segnale con sufficiente potenza `

e collegato ad una o pi´u antenne contemporaneamente. Se deve effettuare una chiamata verso un altro dispositivo, il cellulare invia una richiesta allo switch MSC passando per la BTS a cui `e allacciato e per il BSC relativo alla suddetta antenna. Se l’utente che richiede la chiamata o in generale il servizio richiesto `e abilitato ad avere la fornitura di tale servizio, ovvero se il credito `e sufficiente e i servizi sono attivati, l’MSC smista la richiesta al componente della rete che pu´o soddisfare la richiesta.

Se ad esempio il servizio `e una telefonata ad un cellulare situato all’inter- no della stessa location area, la richiesta rimane di competenza dello stesso MSC. Se fosse una richiesta di comunicazione verso rete fissa verrebbe in- dirizzata verso il Gateway di rete fissa e cos´ı via. In figura 2.11 possiamo osservare il funzionamento dello smistamento delle chiamate attraverso i vari livelli della gerarchia. Ogni livello si occupa di mantenere le informazioni sui livelli sottostanti cosicch´e ognuno di essi contribuisce a tenere bassa la complessit´a del sistema e soprattutto la quantit´a di informazione necessaria per mantenere la rete consistente.